보통 상대성이론에 따르면 광속보다 빠른 입자는 없다고 하지만, 일부 학자들 사이에서 상대성이론의 방정
식을 다르게 해석하여 특수한 조건에서 빛보다 빠른 물질이 가능하다고 보는 경우도 있습니다.
(이들이 해석한 상대성 이론의 방정식에 관한 서적을 읽어 보았으나, 일반인이 이해하기 힘들더군요, 물론 알기쉽게 풀어 쓴 책이지만..... 그래도 저한테 어려워여. 그래서 패스.)
왜 빛의 속도를 넘기기 힘드냐?
이유를 설명하면, 일반적인 상대성 이론 방정식의 해석에 있어서, 만약 질량을 가진 입자가
빛의 속도에 근접하게 된다면, 그 입자의 질량의 무한대로 커지기 때문입니다. 빛의 속도에 무한히 가까워질수록, 속도에 비래하여 질량이 늘어나는것이 아니라, 그 수치는 확실치는 않습니다..만 기하급수적으로 질량이 늘어납니다.
조금 무리해서 예를들자면 빛의 속도에 근접하였을때, 0에 무한히 가까운 수치만큼 속도가 늘어나면, 이미 태양의 질량만큼 커진 입자가 은하계 질량만큼 커진다는 것입니다... 이론상으로 종국에는 우주보다 더 커질 판이죠... 이에 따라 가속에 요구하는 에너지 역시 기하급수적으로 늘어나죠.
(오해하지 마시길, 입자중에서는 빛의 속도의 99.9999...%에 육박하는 입자도 있지만 현실적으로 여전히 극히 작은 정상적인 질량만 가지고 있습니다. 여기서 태양만한 입자니 뭐니하는 가정도 이런 정상적인 광속에 근접한 입자가 그 속도의 소수점. 몇백? 아니 몇천자리가 단위를 계속 가속했을때 가정입니다.. 이런 실험에서 속도 측정 단위는 나노초입니다 즉 10억분 1단위라는..)
여튼 이런 광속에 근접했을때 질량이 무한대로 커지는 입자를 타지온 혹은 타르디온이라고 합니다.
이에 양성자, 중성자, 전자, 양전자, 쿼크 등이 해당됩니다.
그럼 광자는 뭐길래? 빛의 속도로 움직이면서도 굉장히 작은 입자냐 하면...
광자는 정지질량이 0입니다. 정지질량이 0인 입자가 광자 말고, 또하나 더 있는데 중력자라합니다.
이들은 오직 빛의 속도로만 움직입니다. 이를 '빛'이라는 뜻에서 루손(luxon)이라 합니다.
빛보다 빠른 입자, 타키온은 특수한 조건에서 빛보다 빨리 움직인다는 가설의 입자입니다.
이 물질의 특징은 에너지를 잃을수록 속도가 빨라지는 특징이 있습니다. 에너지가 최대일때, 빛의 속도에 가깝고 에너지를 모두 잃었을 경우 무한대의 속도를 내게됩니다. 또한 질량이 허수라는데, 상식적으로는 불가능한 입자입니다.
이 물질은 독일의 물리학자 아르놀트 조머펠트가 처음 고안하였습니다. 그 뒤 제럴드 파인버그가 1960년대에 "빠르다"는 의미를 가진 그리스어 ταχύς(타쿠스)로부터 '타키온'이라는 이름을 지었습니다.
2011년 9월 22일에 드디어 빛보다 빠른 물질을 찾아냈다는 유럽 입자 물리학 연구소(CERN)
의 공식적인 발표가 있었는데, 실험 도중에 입자 가속기 속을 운동하던 중성미자가 광속보다 60나노초 더 빠르게 운동한다는 결과가 나왔다는 것입니다. 하지만 나중에 살펴본 결과 사용된 GPS 장비의 오류가 발견되었고, 재실험 결과, 중성미자는 빛보다 빠르게 운동하지 않았습니다.
대다수의 과학자는 타키온이라는 가설의 입자에 대해 회의적인데, 가장 큰 이유는 이런 입자가 존재한다면, 과거로 여행이 가능하다는(사람이든, 그 무엇이든 여튼..) 결론에 도달하게 되고, 이는 물리학뿐만 아니라, 인간이 알고 있는 모든 지식 그리고 더 나아가 앎의 근간인 인과법칙이 붕괴되기 때문입니다. 하지만 수학적 공식 및 논리로는 타키온 존재 자체를 부정할 증명을 여전히 찾지 못한것도 사실입니다....
그럼 이런 타키온을 찾기 위한 과학자들의 실험 설계의 기본적 원리는 무엇일까요?
우선 첫 번째, 입자충돌입니다. 이는 타키온이라는 불가사의한 입자가 가지는 특징에 착안한 방식인데요. 이는 타키온은 운동량은 받지만(그러니까 방향이 바뀐다..) 에너지는 불변이라는 점입니다.(즉 속도는 변하지않는다.. 광속을 초월한 타키온은 에너지가 변하지 않는다는 가설에 입각)
한마디로 입자 충돌후, 방향은 바뀌나 속도가 변하지 않는 입자를 찾는겁니다. 조금 더 구체적으로 말씀드리자면, 충돌 지점에서 마치 타키온의 진행방향과 직각인 벽에 탄성충돌(반발계수가 1이고 더구나 마찰이 없는 충돌)한 것과 같은 결과를 찾는 것입니다.
두 번째는 체렌코프 효과를 이용하는것입니다. 전기를 띤 물체 주위의 공간은 전장이 되는데, 이를 소립자론의 입장에서 말하자면, 거기에 광자가 달리고 있다는 것입니다. 전자로부터 광자가 방출되었다가 흡수되는 과정을 되풀이 하는데, 광자가 전자 보다 빠르면 마치 거북이 열차의 예와 마찬가지로 다시 전자로 흡수됩니다. 하지만 광자가 전자보다 늦는 일이 생긴다면 광자는 자신보다 빠른 전자에 따돌림을 당하고 방출되게 됩니다(즉 빛이 납니다..)
-핵 반응로에서 나타나는 체렌코프 광, 물속에서 전자가 광자보다 빠르기 때문에 나타나는 현상
만약 진공중에서 체렌코프 광을 발견한다면, 빛보다 빠른 입자 발견에 성공했다는 말.
<사진출처 위키백과>
그럼 빛보다 빠른 하전입자가 존재할까요? 네 그런 경우가 있는데, 바로 유리나 물속에서는 굴절율이 1.4라든가 1.3이라든가 해서... 매질속에서 빛은 진공 속의 속도를 1.4나 1.3으로 나눈 값으로 달리게 됩니다. 즉 물속이나 유리속에서는 하전입자가 빛보다 빨라 질 수 있다는 이야기인데요. 우라늄 반응로나 사용직후 핵연료봉이 잠겨있는 물속을 보면 에메랄드 푸른 빛을 띠는 것이 체렌코프 광의 대표적인 예라고 할 수 있습니다..
그러니까 이러저런 이야기를 늘어났는데, 한마디로 이런 물속 말고, 공기중이나 진공중에서 전자가 체렌코프 광을 방출하면 그 전자는 빛보다 빠르다는 이야기이고, 이러한 전자를 찾자는 거죠.....
이러한 원리를 이용하여, 빛보다 빠른 입자를 찾기 위한 많은 과학자들의 노력이 있었는데,
대표적으로 프리스턴 대학 실험, 콜롬비아 대학 실험, 최근 CERN의 발표도 이런 노력의 일환이지요... 하지만 다 성공하지 못했습니다. 혹여 빛보다 빠른 물질을 찾았다고 발표가 있었다해도, 추후 실험기구의 결함이나 오류로 밝혀졌구요. 근70년간 타키온을 찾으려했으나 결과는 실패입니다.